城市餐廚垃圾/農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用分析研究

申逸騁， 李 洋, 張 偉

（1.合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院， 安徽 合肥 230000；2.中國海螺創(chuàng)業(yè)控股有限公司， 安徽 蕪湖 241000）

0 引言

城市餐廚垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物作為生物質(zhì)能源，可有效解決環(huán)境污染和能源短缺問題。 中國每年餐廚垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)量巨大， 如果處理不當(dāng)不僅會造成資源浪費還會污染環(huán)境。 餐廚垃圾處理行業(yè)市場現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析顯示：2018年， 我國餐廚垃圾總產(chǎn)量達10 800 萬t， 并依舊呈逐年上升趨勢。 據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國已建、在建、籌建（已立項，部分已招標(biāo)）的餐廚垃圾處理項目（50 t/d 以上）有118 個，總處理能力約2.15 萬t/d，由此說明餐廚垃圾產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于處理能力。同樣，農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)量與處理能力也不相符。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，當(dāng)前我國畜禽糞污年產(chǎn)量約38 億t，但綜合利用率不足60%；秸稈年產(chǎn)量9 億t，綜合利用率約82%。 由于使用城市餐廚垃圾或農(nóng)業(yè)廢棄物中某一種作為原料進行加工處理時存在一些缺陷，因此，將多種有機廢棄物進行綜合利用也成為研究熱點。例如，利用有機廢棄物進行厭氧共消化產(chǎn)氣時， 使用不同底物共消化能大幅度提高系統(tǒng)產(chǎn)甲烷性能[1]。 YE Jing-qing 等[2]以餐廚垃圾、 豬糞和稻草為原料， 驗證了最佳配比為0.4∶1.6 ∶1 時，揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)量降低，產(chǎn)氣效率最高；IQBAL 等[3]以及CALLAGHAN 等[4]證明了牛糞與餐廚垃圾等容易降解的物質(zhì)進行混合厭氧消化能獲得很好的效果。 而餐廚垃圾與秸稈、畜禽糞便混合進行堆肥時，可以有效改善碳氮比（C/N），提高營養(yǎng)均衡。近年來，逐漸發(fā)展的生物柴油制備、蠅蛆生物轉(zhuǎn)化、人工濕地系統(tǒng)、厭氧共消化等技術(shù)[5-8]，也促進了餐廚垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物等有機廢棄物資源的綜合利用。

以多種有機廢棄物綜合利用為出發(fā)點， 以優(yōu)化資源利用和提高資源產(chǎn)出率為核心， 以增加農(nóng)民福祉為目標(biāo)，在傳統(tǒng)“一戶一沼”小農(nóng)經(jīng)濟模式的基礎(chǔ)上引入城市餐廚垃圾，與農(nóng)業(yè)廢棄物聯(lián)合生產(chǎn)沼氣，有效提高了沼氣產(chǎn)量以及沼氣中甲烷濃度。同時，在處理手段上多樣化、模塊化，實現(xiàn)了“氣熱冷電肥飼油”聯(lián)產(chǎn)，形成了“自產(chǎn)自銷、自耗自產(chǎn)、多產(chǎn)多銷”的新型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟模式，推進了廢棄物循環(huán)綜合利用，促進了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、 資源綜合利用與生態(tài)環(huán)境保護的和諧統(tǒng)一， 為構(gòu)建新時代全新農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 城市餐廚垃圾特性及處理難題

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）將餐廚垃圾定義為在整個食物供應(yīng)鏈中浪費、 丟棄或降解殘留的任何健康或可食用物質(zhì)， 包括從食品加工廠、 各類廚房、自助餐廳和餐館等排出的有機廢棄物。餐廚垃圾是一種可利用資源，呈酸性，富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等有機質(zhì)。如果處理不及時或者處理方式不正確，餐廚垃圾將會重新進入人們生活之中成為“地溝油”或“垃圾飼料豬”。此外，餐廚垃圾處理不當(dāng)時，還易產(chǎn)生氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）等有害物質(zhì)[9]，造成環(huán)境二次污染。

由于各地對膳食質(zhì)量需求以及飲食習(xí)慣的不同，餐廚垃圾理化特性具有較大差異。以北京和福州為例，兩地餐廚垃圾的理化特性見表1[10-11]。

表1 餐廚垃圾主要理化特性

通常以餐廚垃圾單獨進行厭氧消化時， 易產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸的堆積，pH 值降低， 最終導(dǎo)致消化效率低，生物產(chǎn)氣過程受到抑制[12]，一般產(chǎn)氣潛力為60～120 m3/t。 而采用餐廚垃圾與秸稈、畜禽糞便混合發(fā)酵能在原料特性上改善C/N ， 調(diào)節(jié)產(chǎn)酸與產(chǎn)CH4速率的匹配，使得發(fā)酵更加穩(wěn)定，從而獲得良好的消化效果，產(chǎn)氣潛力有顯著提高。 并且，在利用餐廚垃圾制備生物柴油的過程中， 一些固體殘渣和廢水也沒有充分得到利用[12]；直接使用餐廚垃圾作為飼料容易引起口蹄疫，因此受到農(nóng)業(yè)部的嚴(yán)格控制；由于餐廚垃圾水分以及含鹽量較高，難以直接焚燒，需添加其他燃料助燃， 并且容易產(chǎn)生二噁英等有毒有害物質(zhì)。

2 農(nóng)業(yè)廢棄物特性及處理難題

農(nóng)業(yè)廢棄物主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 產(chǎn)品加工以及畜禽養(yǎng)殖業(yè)等行業(yè)產(chǎn)生的廢棄物， 可分為秸稈和畜禽糞便， 是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和再生產(chǎn)鏈環(huán)中資源投入與產(chǎn)出物質(zhì)和能量的差額。 農(nóng)業(yè)廢棄物作為生物質(zhì)能的重要組成部分，具有可再生、再生周期短、可生物降解、環(huán)境友好等優(yōu)點。 但農(nóng)業(yè)廢棄物處理不當(dāng)時，同樣會造成環(huán)境污染、資源浪費等問題。 如直接焚燒秸稈容易造成大氣中氣溶膠顆粒物的增加[13]；畜禽糞便處理不當(dāng)時會造成大氣氨濃度增加以及水體N，P 污染，并且容易傳播細(xì)菌與疫病，對人體健康造成威脅。

各類秸稈理化特性見表2[14-15]。

表2 秸稈主要理化特性

各類畜禽糞便理化特性見表3[16]。

表3 畜禽糞便主要理化特性

由于秸稈C/N 較高，難以降解，在堆肥還田時由于N 元素的缺乏容易導(dǎo)致作物停止生長；秸稈富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，水解緩慢，在厭氧條件下難以被酶和微生物降解，導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)氣效率低[17-18]；采用空氣煤氣制氣法進行秸稈氣化時，所制得的氣體熱值較低，同時存在嚴(yán)重的焦油問題；秸稈工業(yè)造紙產(chǎn)生的大量廢棄黑液對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[19]； 并且以秸稈為原料制成的飼料在營養(yǎng)結(jié)構(gòu)上容易失衡。畜禽糞便存在處理方法單一、處理技術(shù)低下、二次污染嚴(yán)重等問題，同樣限制了畜禽糞便處理的發(fā)展方向。

3 城市餐廚垃圾/農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用設(shè)計

基于以上餐廚垃圾、 農(nóng)業(yè)廢棄物的特性和處理難點，設(shè)計了城市餐廚垃圾-農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用系統(tǒng)，并對系統(tǒng)運行可行性、經(jīng)濟性以及優(yōu)勢進行了綜合分析。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計分析

城市餐廚垃圾-農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用系統(tǒng)見圖1。通過沼氣生產(chǎn)、堆肥、飼料化、制油、熱電以及冷庫等多種處理模塊的有機結(jié)合， 將城市餐廚垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物分步加工、綜合利用、優(yōu)勢整合，從而構(gòu)成城市與農(nóng)業(yè)、能源與生態(tài)的綜合利用體系。 系統(tǒng)利用城市生活產(chǎn)生的餐廚垃圾與農(nóng)業(yè)廢棄物中的秸稈、禽畜排泄物進行組合發(fā)酵，規(guī)?；a(chǎn)沼氣，并轉(zhuǎn)化為電能。同時，建造冷庫儲存新鮮果蔬和肉類。沼液與畜禽糞便、餐廚垃圾、秸稈進一步堆肥產(chǎn)生農(nóng)作物有機肥料，以增加土地的有機質(zhì)；秸稈與餐廚垃圾通過干燥或微生物發(fā)酵， 可用于生產(chǎn)禽畜飼料。 同時，從城市餐廚垃圾中脫離出油脂，加以轉(zhuǎn)化成生物柴油，進行儲存或發(fā)電。 該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，在城市與農(nóng)村組成的循環(huán)體系內(nèi)， 有效提高沼氣產(chǎn)氣率及CH4濃度，基本實現(xiàn)了碳循環(huán)并提高了資源利用率，降低了各類有機廢棄物對環(huán)境的不利影響，極大減少了工業(yè)化肥的使用， 充分保證了食品綠色與健康。

圖1 城市餐廚垃圾-農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用系統(tǒng)示意

3.2 可行性分析

以北京市為例。2012年北京市秸稈、畜禽糞便、餐廚垃圾3 種資源理論產(chǎn)量及可獲得量[20-21]見表4。由于資源屬性及收集難易程度的不同， 理論產(chǎn)量與可獲得量存在一定差額， 可利用率分別以60%，20%，80%進行估算。

表4 2012年北京市秸稈、畜禽糞便、餐廚垃圾資源總量

假設(shè)在北京城郊某區(qū)域建立一座城市餐廚垃圾-農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用系統(tǒng)工作站，以北京市3 種資源總量的5‰投入生產(chǎn)，則此工作站中秸稈、畜禽糞便、餐廚垃圾可利用量估算為5 600，8 700，14 600 t，可建成日處理量約80 t/d 的工作站。 各模塊所需各類資源總量見表5。

表5 工作站所需各類資源總量

（1）沼氣生產(chǎn)模塊

在沼氣生產(chǎn)模塊中，綜合各類文獻[22-23]并結(jié)合產(chǎn)地各類資源分配情況， 選取質(zhì)量比為1 ∶1.5 ∶0.5 的秸稈、畜禽糞便、餐廚垃圾作為沼氣生產(chǎn)原料，能夠最大程度提高沼氣產(chǎn)氣率及質(zhì)量。 若將2 000 t 秸稈、3 000 t 畜禽糞便以及1 000 t 餐廚垃圾投入沼氣池， 產(chǎn)氣潛力估算為400 m3/t （試驗產(chǎn)氣效率[3]為674.4 m3/t，以試驗產(chǎn)氣效率的60%代入工程計算），其ω（CH4）可高達65%以上，預(yù)計可年產(chǎn)2.4×106m3沼氣，相當(dāng)于6.5 個1 000 m3發(fā)酵池容的沼氣池。 同時， 可產(chǎn)生約4.5×103t 沼液， 并減少了近4 000 t CO2的排放。

（2）堆肥模塊

在堆肥模塊中，以沼氣池中的部分沼渣、秸稈、畜禽糞便和餐廚垃圾固體部分為原料， 根據(jù)一定的C，N 配比， 通過堆肥可產(chǎn)出適用于不同農(nóng)作物的肥料，每年至少可生產(chǎn)有機肥4 000 t。這極大的減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中工業(yè)化肥的使用，有利于促進綠色農(nóng)產(chǎn)品的增產(chǎn)增收。

（3）飼料化模塊

在飼料化模塊中， 以秸稈和餐廚垃圾固體部分為原料， 通過微生物發(fā)酵可年產(chǎn)高蛋白飼料2 000 t以上，可代替大豆、魚粉等蛋白飼料，為農(nóng)戶養(yǎng)殖提供額外的飼料保障。 通過選擇不同配比的秸稈和餐廚垃圾，可有效改善飼料C/N，使得飼料營養(yǎng)均衡。

（4）制油模塊

在制油模塊中， 可利用餐廚垃圾液體部分為原料， 通過固液分離、 油水分離獲得餐廚垃圾中的油脂，而其余部分可繼續(xù)用于飼料或者肥料生產(chǎn)中，再將油脂通過酯交換反應(yīng)等方式工業(yè)化生產(chǎn)， 可年產(chǎn)生物柴油約1 000 t。此類生物柴油具有較高的熱值，與0# 柴油理化性質(zhì)較為相似，可直接用于發(fā)電，也可作為燃料貯存。

（5）熱電模塊

在熱電模塊中， 以每m3沼氣可發(fā)電2.6 kW·h計算，若將2.4×106m3沼氣全部用于燃?xì)鈾C組持續(xù)發(fā)電，全年可產(chǎn)生電能約6 240 MW·h。選用2 ～3 臺單機功率300 kW 燃?xì)廨啓C組合發(fā)電， 可為整個工作站提供電力支持， 過剩電力通過并網(wǎng)輸送至附近村戶家中，為資源循環(huán)型經(jīng)濟提供穩(wěn)定的收益。而在北方地區(qū)低溫季節(jié)， 可將發(fā)電產(chǎn)生的廢熱或直接將部分熱量通過供熱管道輸送至附近農(nóng)戶， 實現(xiàn)余熱利用， 提高居民生活質(zhì)量。 燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過降溫、除塵等處理后，也可引入臨近農(nóng)戶大棚中。 由于煙氣中含有高濃度CO2， 可提高溫室內(nèi)CO2氣肥濃度，促進作物光合作用，有利于作物生長，從而實現(xiàn)真正意義上C 的零排放。

（6）冷庫模塊

在工作站附近建立冷庫，采用吸收式制冷[26]等方式利用燃?xì)獍l(fā)電余熱資源及過剩電力進行制冷，用于儲藏新鮮果蔬以及肉品， 可保障農(nóng)產(chǎn)品的健康與安全。 根據(jù)燃?xì)鈾C組發(fā)電效率， 若選用單機容量400 kW 溴化鋰吸收式制冷機組 （制冷系數(shù)COP=1.2）[24]，可建立約4 000 m3的冷藏庫或約3 000 m3的冷凍庫。不僅可滿足附近農(nóng)民冷鏈儲藏需求，也可對社會開放，收取一定費用。

3.3 經(jīng)濟性與優(yōu)勢分析

根據(jù)可行性分析中原料及產(chǎn)品總量， 工作站原料成本與產(chǎn)品收益估算結(jié)果見表6。 其中原料成本包括各類資源運輸費用。系統(tǒng)以沼氣、沼液、肥料、飼料、生物柴油以及電能產(chǎn)品或方式獲得收益。由于沼氣可通過燃?xì)獍l(fā)電機組全部轉(zhuǎn)化為電能， 表中以沼氣產(chǎn)量進行計算，即不重復(fù)計算發(fā)電收益情況。所有產(chǎn)品均可為臨近農(nóng)戶提供額外保障。

表6 工作站原料成本及產(chǎn)品收益估算分析

由表6 可知， 此工作站每年原料成本以及產(chǎn)品收益分別為505 萬元、801.5 萬元， 每年可收益近300 萬元。 前期工程建設(shè)及設(shè)備購入成本則需要約5 000 萬元，考慮到設(shè)備運行、折舊以及其他費用，預(yù)計20 a 內(nèi)可回收建設(shè)成本。 而通過供氣、供暖、供電以及建立冷庫等方式， 不僅為農(nóng)民提高生活質(zhì)量以及農(nóng)產(chǎn)品附加值，更是順應(yīng)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，有效推進城鄉(xiāng)融合發(fā)展，加快了農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的步伐。特別是對于貧困地區(qū)，不僅可解決人員就業(yè)問題，也促進了農(nóng)民增收和發(fā)展特色農(nóng)業(yè)。

此系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的小農(nóng)經(jīng)濟模式， 在傳統(tǒng)農(nóng)民一戶一池或一村一池生產(chǎn)沼氣、 消耗沼氣的基礎(chǔ)上，進行規(guī)模擴大化、區(qū)域化，并引入城市餐廚垃圾這一生物質(zhì)能，通過沼氣生產(chǎn)、堆肥、飼料化、制油以及熱電等模塊的有機結(jié)合，綜合利用各類資源，從而形成多種高附加值產(chǎn)品。

（1）綜合利用餐廚垃圾、畜禽糞便和秸稈3 種生物質(zhì)能，形成了資源優(yōu)勢互補、高效循環(huán)利用的城市餐廚垃圾-農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用系統(tǒng)，實現(xiàn)了由城市與農(nóng)村組成的以資源節(jié)約和循環(huán)利用為特征、 與自然環(huán)境相和諧的經(jīng)濟發(fā)展新模式。

（2）以沼氣工程為中心，著力提高沼氣質(zhì)量。 根據(jù)餐廚垃圾產(chǎn)氣潛力以及表2、表3 中各類秸稈、畜禽糞便產(chǎn)氣潛力， 綜合利用系統(tǒng)產(chǎn)氣潛力遠(yuǎn)高于使用單一資源作為沼氣原料。同時，通過模塊化綜合利用各類資源，實現(xiàn)了“氣熱冷電肥飼油”聯(lián)產(chǎn)，形成了自產(chǎn)自銷、自耗自產(chǎn)、多產(chǎn)多銷的工作系統(tǒng)。 可根據(jù)地區(qū)資源組成，將模塊有機組合。

（3）以新農(nóng)村建設(shè)為核心，以“為農(nóng)民謀收益、為農(nóng)村謀產(chǎn)業(yè)、為農(nóng)業(yè)謀發(fā)展”為宗旨，不僅實現(xiàn)了有機廢棄物的無害化處理和資源化利用， 也為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟建設(shè)提供了新的思路。

（4）在一定程度上開發(fā)和利用了多種生物質(zhì)能，有效提高資源利用率，對于降低碳排放、節(jié)約能耗、保護環(huán)境起到重要作用， 對緩解全球變暖也具有一定積極意義。

3.4 問題及展望

在城市餐廚垃圾-農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用系統(tǒng)中，主要存在以下3 個問題： ①前期工程建設(shè)及設(shè)備投入成本過高。大型沼氣工程設(shè)備、肥料及飼料制備設(shè)備、微型燃?xì)廨啓C發(fā)電機組、生物柴油生產(chǎn)設(shè)備以及冷庫等成本較高，一般農(nóng)戶或村集體建設(shè)難度較大；②畜禽糞便的收集和運輸存在一定難度。 畜禽糞便由各養(yǎng)殖場輸送至集中處理中心， 需要建立高效的收集體系，包括收集區(qū)域劃分、專業(yè)化收集隊伍與設(shè)施、行業(yè)部門監(jiān)管等，目前大部分地區(qū)缺乏相應(yīng)的體制機制；③關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用成熟度不足。多種有機物聯(lián)合發(fā)酵、 生物柴油規(guī)?；a(chǎn)等技術(shù)仍處于試驗階段，未能產(chǎn)業(yè)化運行。

因此，建議地方政府對關(guān)鍵大型儀器設(shè)備、工作站生產(chǎn)建設(shè)及運行給予一定額度的補貼； 當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司應(yīng)將城市餐廚垃圾-農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用系統(tǒng)產(chǎn)生的上網(wǎng)電力按照生物質(zhì)發(fā)電項目上網(wǎng)電價給予收購；國家農(nóng)業(yè)部和國家發(fā)展改革委也應(yīng)在政策、資金上給予一定的扶持， 以促進農(nóng)村地區(qū)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟并提高農(nóng)民生活水平。 針對畜禽糞便收集和運輸問題，應(yīng)根據(jù)所在區(qū)域的糞便產(chǎn)量、糞便綜合利用情況、區(qū)域地形特點、農(nóng)作物種植特點等，合理設(shè)置收集點，劃定收集線路，確定收集頻率。 由地方政府發(fā)揮收集體系建設(shè)的引導(dǎo)和監(jiān)管作用，由工作站、養(yǎng)殖合作社或第三方組織承擔(dān)收集和運輸工作， 從而形成健全的體制機制。 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展不僅需要政策引導(dǎo)， 同樣需要科技支撐。 由于系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)領(lǐng)域較多，應(yīng)當(dāng)綜合各領(lǐng)域?qū)＜伊α?，建設(shè)相關(guān)綜合實驗室和試點工程，持續(xù)論證和改進實施方案，制定和落實相關(guān)產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)，不斷完善科學(xué)生產(chǎn)體系，并逐步向其他地區(qū)推廣成功經(jīng)驗。

4 結(jié)論

基于農(nóng)業(yè)秸稈及畜禽糞便發(fā)酵效率低下的問題，引入餐廚垃圾進行多元原料混合發(fā)酵制備沼氣，提高沼氣產(chǎn)氣效率及質(zhì)量。并以沼氣工程為核心，多種處理手段有機結(jié)合，建立城市餐廚垃圾-農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用系統(tǒng)，可實現(xiàn)“氣熱冷電肥飼油”聯(lián)產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展提供了一種新的思路和模式。以2012年北京市秸稈、畜禽糞便、餐廚垃圾可利用量為數(shù)據(jù)背景，設(shè)計并闡述了系統(tǒng)沼氣生產(chǎn)、堆肥、飼料化、制油、熱電以及冷庫等多種處理模塊及各模塊效能狀況。旨在提高有機廢棄物資源利用率，促進農(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)民共同富裕。建議各級政府及農(nóng)業(yè)部門在給予當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展相應(yīng)支持之外，針對資源綜合利用且有助于農(nóng)民增產(chǎn)增收項目等節(jié)能減排項目資金扶持，積極支持農(nóng)業(yè)領(lǐng)域科研工作，促進科技成果轉(zhuǎn)化，建立試點工程，從而推進社會主義新農(nóng)村建設(shè)，真正實現(xiàn)“以工促農(nóng)、以城帶鄉(xiāng)”的發(fā)展戰(zhàn)略，助力我國生態(tài)文明建設(shè)。